昭和61年度 研究報告 大分県工業試験場

真空熱処理による合金鋼の物理的性質（第3報）
一体積変化と形状変形−

機械部金属科 江 藤 博 明
電子部電子科 藤 井 謙二郎

1。はじめに

表1ニ供試材の主要成分（％）

精密金型や刃物工具に使用される合金鋼は，熱処

弓No． L材料名 C 八／in Cr

理の方法によってその特性を広い範幽に変化させる

ト17．82ことができ，いろいろな要求に適合させることがで

u 至5 S UJ2 1．06 0．34 1．47 Ⅶきる。

A

この熟処理の中でも，焼入れが最も重要な処理であるが，急冷硬化に伴う熱ひずみと体積変化が同時

套SKD61jO．36

巨

SKH51 0・86

5．18 5．96 1．96

SNC九4439 ‖ 0．44に起こる。

加熱に伴う熱膨脹は，冷却とともに常温で元に戻るが，相変態による体積変化が大きな問題となる。
本実験でも，低合金鋼は，γw【−α′変態で体積膨脹0．70 Nil．63

S K S 3o．89 1．01 0．72

S K 3

1．01

3 弓SKD‖ L38を生じ，高合金鋼は，γ→炭化物（Cr。C）の生成で0．63

0．60

0．96
妄11．800．210．87

逆に体積収縮を起こした。
この体積変化と実際の金型等の加工形状による変点とした内容から，今回はマルテンサイト変態およ形等，ひずみと寸法変化の関連について究明した。

び炭化物生成時の体積変化を加味して，形状変形との関連をしらべた。

体積変化については写真1のように測長器を使用2色 供試材して，0．5ノノmまで精密測定を行った。

合金鋼には万能的な鋼種はなく，ある性質を強く要求すれば，他の性質は劣ることになるのが普通である。
この点を考慮して，本実験では，現在使用されている鋼種を広範囲に網羅した。

SKS3，SK3，SUJ2，等の低合金鋼，SUS440A，SKDll，61，SKH51等の高合金鋼である。
これらの供試材は，加工前にそれぞれ高合金鋼は850GCで，低合金鋼は7800Cで徐冷して完全焼なましを行った。

各材料の主要化学成分は表1のとおりである。

3。実験方法
第2報までの形状変形（ひずみ）と硬化深度を重山一′肌Ⅵ 37

昭和61年度 研究報告 大分県工業試験場

ひずみについては，前報までと同様電子マイクロメーターで測定した。
熱処理後の長さと直径，硬さ，ひずみの測定位置
は図1のとおりである。

写真1：体積変化測定、上：長さ、下：直径

図1：真空焼入試験片と体積変化。硬さ・ひずみ測定位買（図の表現 A‥A：直径，B‥B長さ，①〜⑥ひずみ，4．実験結果および考察

合金鋼の焼入れは，高温度に加熱した鋼を所定の④〜⑰硬さ）法の変化を主体とした。

図2は本実験のフローチャートである。

速度で冷却する処理で，その目的は鋼を硬化するこ4−1）直径と長さの変化（体積膨脹・収縮）についとである。

・で

本実験では，廃人硬化に伴う体積変化と形状の変形について究明した。
焼入れ時の加熱・冷却はすべて真空中で処理し，10200Cガス冷と8500C油冷で行った。

焼もどしは，変態点以下の温度（冷間工具鋼は1800C，熟間工具鋼は560〜6000C）で処理した。

この焼もどし処理によって，不安定な焼入れ状態

焼入れによる熱ひずみはもちろん，これとは別に，県内の企業からしばしば熱処理後の寸法変化について相談を受けていた。その寸法変化の実際例を図3，写真2，図4に示した。熱処理後収縮をおこしたケースである。
これまでマルテンサイト変態による油冷鋼の膨脹は，熱膨脹計でCCT曲線を作成した時に論じてきの金属組織を安定化し，体積変化と形状変形の測定たが，収縮については通常考えられなかった。図3を行った。のHPM38は13％Crベースで含MoのSKDll

前報では，形状の変形（ひずみ）を専心に考えてきたが，今回は特に体積膨脹あるいは収縮による寸一 38 椚相当の鋼である。この鋼種は写真3のような硬いCr炭化物やMo炭火物を形成し，焼入れは10250Cの高昭和61年度 研究報告 大分県工業試験場

各種合金鋼 高合金鋼（SUS440A。SKD61・SKH51・SKDll）】

低 ノ）（SUJ2・SNCM439B SKS3。SK3）

熱 処 理（7700C、8700C炉冷）、硬さ 測定（素材前処理後）●

仕上げ加工（精密加工）J

精密 測定（測定器による長さと直径の測定） 写真参照
J

歪み 測定（Max±2／Jm）
J

真空熱処理（焼入れ、850ロC〜12300C）
J

ヒートプログラムパターン（3，90C〜4．30C／分）

焼き 戻し（熱間工具鋼 570OC〜620OC・冷間工具網180OC〜190CC）≦50〟m空冷鋼

精 密 測定（測長器による体積変化の測定）
ヽ仙→昇温時間調査

歪み 測定（単位 1JJm）≧HRC58 冷問工具鋼

ヽ

表面硬さ測定（HRC、HS、A〜K）▼

硬さ分布状況調査

冷却時間の変更

硬化 深度（0．15〜0．50mm間隔）｝図1 A−A 断面J≡

上プログラム変更

J切断・加工・研磨（￠23を切断）

J→再焼き入れJ

熱軟化抵抗測定（2500C〜6000C）■

顕微鏡組織観察 写真参照

表面硬さ測定■焼き割れ及び曲がり調査

図2：本実験のフローチャート

ー 39

昭和61年度 研究報告 大分県工業試験場

熱処理後寸法が小さくなった例
メY18（）（）

図3：注射針の金型（兼用針基）
熱処理後の長さと直径の変化は次のとおり〆18．00 ｝〆17．99〆15．98→〆15，97

写真2：焼入れ後体積収縮をおこした金型の実際例て7⊂不つ

120．00mm→119．92mm（0．08mm）

円 同0．00066mm／／1mm＝0666mm／／／1mm

ちも＝合金鋼名：HP九′Ⅰ38（≒SKDll）
13Crベース（含Mo）
硬 さ：HRC61．5∃

fl■2 ？・β16．5 l、 岡 到

3

図4：ベアリング受け
21．07mm｝2i．070mm
21．03mmナ21．030m皿
21．09mm→21．085mm
ガ16．65→耳16．640〆16．65→ダ16．645
ガ16．6㌃＞〆16．645

合金鋼名：SKDll
硬40 仙

さ：HRC64．0

写真3：HPM38種のCr，Mo炭化物
10250Cガス冷，1800C空冷
HRC62．5

昭和61年度 研究報告 大分県工業試験場

温からのガス冷鋼である。SKDllよりCr量が多く，Ni量が少ない関係で焼入れ硬化はHRCで3〜5低くなっている。

図3の兼用針基，図4のベアリング受け等，測定は熱処理依頼をしてきた企業が現場で行ったので，測定精度は充分ではないが，18mm〜20mmの長さのもので0肌Omm〜0・005mm，6倍の長さの120mmでは119．92mmと仇08mmもの炭化物による収縮をおこした。
この寸法変化が対流のおこらない真空炉内の温度分布に伴う硬さのバラツキではないことは写真4のとおりである。

加熱。冷却に伴うこれら合金鋼の長さの変化は，0200400800600

SKS3（b曲線）

Ms点＝550CC・（35OOcxo．89）（4OeCXl．Ol）−（200CxO．72）−（5Ccxo，60）≒182〇C

図5：合金鋼の加熱・冷却に伴う長さの変化曲線（C）は逆に炭化物の生成によりAH′なる収縮

写真4：真空炉内の温度分布からの硬さの動向と実際の焼入物をおこす。

この点に着目し，図1のように精密加工した試験片を作り，マルチンサイト変態と炭化物生成で発生図5のように想定される。
曲線（a）では，合金鋼を常温から加熱するとAから次第に膨脹し，Al変態点ではBCなる収縮がおこり，オーステナイトになる。さらに加熱すればCDとする体積変化について究明した。

表2は，鋼種ごとの長さ，直径の変化を測定したものである。

この結果から，油冷した低合金鋼（b曲線）の膨膨脹する。オーステナイトの状態から炉中で徐々に脹は，SKS3がひずみと同様顕著で，￠30で0，041冷却すると再びAl変態点でEFなる膨脹をおこし，mmと大きく，SK3が0．032mm，SUJ2は0．005

パーライトとなり，以後温度の低下とともに常温まmmと膨脹の少ない結果となった。

で収縮し加熱前のAの状態にもどる。この熱処理が本実験鋼に共通に行っている焼なましである。

曲線（b）および（C）はオーステナイト領域から，油冷およびガス冷を行った。このbc曲線の加熱。冷却に相当する熱処理が焼入れである。
曲線（b）では，1820Cでマルチンサイト変態をおこ

伸びは，175mmで0．10mm〜0．16mmの範囲で変化した。これを単位当りでみると，直径は0．041mm／30mmで0．0013mm／1mmMax，長さは0．165mm／175mm，0．0009mm／1mmMaxである。
ガス冷した高合金鋼（C曲線）の収縮は，SKDllが￠30で，0・026mm，SKD61は0．018mm，伸びし，A‡iに相当する長さだけ加熱開始前より膨脹すは175mmで0．034mm〜0．043mmの範囲となり，る。

体積変化は油冷鋼より少なく好結果となっている。
m 41−

昭和61年度 研究報告 大分県工業試験場

表2：焼入による長さと直径の変化について

0番 号 鋼 種

単位 mm

焼人形態

3SUS440SKDI

AS KD6

ガス冷餅炭化物形成鋼

1SKS

2S K

52
大SUJ
S K

油冷鋼
マルテンサイト形成鋼膨脹

単位当りでは，0．018mm〜0．026mm／30mm（0．000616→￠30対￠23）を1／2にして，形状変形がどのよ〜0，00086mmハmm），長さは0．0001∧9mm〜0．00024

うな動向を示すかしらべた。

mm／′1mmである。

この体積変化は相変態によるもので，必ず一定量の膨脹・収縮がおこる。ひずみのようにヒートバタ

表3，表4は新規加入の2鋼種のひずみと硬さの分布状況である。

SUS440Aは，SKDllより6％もCrを多く含んーンで大幅に向上させるような方法はない。精密金

だ17．82％Crのステンレス鋼で，耐蝕性に優れ，本実型や刃物工具等を製作する場合，加工時に鋼種によ験では，焼入れ硬さHRC60±0・5と硬さにムラがなる伸縮分を事前に考慮しておくことが重要となる。

く，焼入れ性の良い鋼種である。形状変形も6

現在，実験的に製作している会社もあり，部分的〟mMaxと好結果を得た。しかし，金型や刃物には，には成功している。幅広いDataの収集を急いでい切れ味（高硬度）で表5のように多少劣るといわぎる。

るを得ない。

4−2）形状変形（ひずみ）について

Stり2は，高炭素でCrを1．47％含んでいるが，低今回の実験では，マルチンサイト系ステンレス鋼合金鋼で偏析をおこしやすく，表4のように焼きム（SUS440A），高炭素クロム軸受鋼（SUJ2）を新ラの発生しやすい元素配分といえる。形状変形は，たに追加するとともに，これまでの段差（￠30対￠

37／JmMaxと油冷鋼ではSK3と並ぶ変形の少ない

一 42 仙昭和61年度 研究報告 大分県工業試験場泰3：高合金鋼（冷間圧延ステンレス鋼）SUS440Aの真空熱処理後の物性値
1．ひずみ（〃m）「「川一■【¶

測定位置（3）

測定位置（1，）

測定位置（5）No．加工後焼人後 歪み No・∈加工後 廃人後 歪み No，加工後 焼人後 竜歪み i0 芦 1】0 宴10 H垂 2 0 十3 2 −1 ＋4 邑；＋ ∈：≡4＋3

十9

5≡十1【十2十3n＋31

≠2

3

臣三：出

6 −1−363望 0

3302

2001

同 2 0 星 十1l0

4 ≠3 十1、 ＋31 ぎ

3 ＋1＋554 ＋3

十6

34≦ 十1

十3

2＋6 〜

4

5 ＋2十4

2

5 ＋1

十2

1＋12

6＋42

6 ＋1＋3¶2

37 −1＋1270−128 【1【10804 「示「 ＋78 ＋1o

測定位置（6）0 十2

同に

6＋6十15

測定位置（4）

2 →11十3 j 2

旧 十2O

67 ＋2 z H−30

1 0 0 F

22 】

＋20u

同3．表面硬さ（HS）（H RC）

2血 主要成分「￣一】¶ ∃成分名％

成分名

i C

0．67

Ⅵr％

硬さ（HS）

硬さ（HRC） 】 書
60・5A75A∃

i‑．Ⅳin

0．89

B60．0

B75

【 cr17．82

C60．0

C73

柑DEFGf・＝

60．5 D 別 72 ‖ 6＝ ∈E 75
60．060．560．5
旧」

60．5K

i7 I

☆真空熱処理の昇温時間☆

43

昭和61年度 研究報告 大分県工業試験場

表4：低合金鋼（高炭素クロム軸受鋼）SU」2の真空熱処理後の物性値1。ひずみ測定（〟m）
測定位置（1）

測定位置（3）

No． 加工後 焼人後 否 み No． 書 加工後 廃人後 歪 み No二 加工後 焼人後 歪 み2000＋ 202000

田 ≡2 n 十1 ∈ 十5十10

成分名％

C 1，06Cr

成分名

硬さ（HS）

硬さ（Ⅰ・IRC）

W

0・34
1．47

∃FA57

A66

B55

B55

C49

C56

D49D

56

E57

E5761

F L

66

57

G63

GH

K

58円

7262

喜Ⅰ78

58

ロ n 弓7960∃軋☆真空熱処理の昇温時間☆
4．30C／分

肝 4443．表面石更さ（H S）（H RC）

2。主要成分

Mn078昭和61年度 研究報告 大分県工業試験場

鋼種である。

泰5＝各種合金鋼の焼入れ、焼もどし後の硬さ表6，図6は段差を7mm＞3．5mmへ小さくしHSた各種合金鋼のひずみ量である。

最高値 最小値 n 最高値邑馴＼値

厳しい段差が半分になった結果，油冷鋼特に，ひ72ずみが325〟nlMaxと大きかったSKS3が109

r一‖㌦

2 62・049．5

7956

Dll64．0〟mMaxと1／3に低下した。当初このSKS3は，72078〃m九′Iaxものひずみがあったが，ヒートパターン制79御（12．80C／分→4．30C／分）で325pmMaxになって67いた。段差の縮小によって更に，大幅に形状変形を75抑えることができた。適切な熱処理が重要となる低合金油冷鋼の特徴を良く表わしている。

51

SK3，SUJ2も油冷鋼であるが，硬さ，ひずみと表6：段差（7mm¶す3．5mm）を小さくした各種合金鋼のひずみ量位置（〇5 S U J 2合 金 鋼 名 測 定

高二「〉 h「SK193355103109104 喜 872241432732①27mm ②83可 ③100mm ④130mm ⑤145mm ⑥172mm

S K S 333 S K D ll

6A S K D 61

13n

喜SUS440A

7 S N C M439 96 167 17337】 弓 3 … 639138l212 H

318 盲 59193 439〇3223978 ∃2314囲の表現◆¶◆ SNC九牛139

もSK3が優れた性質を有している。炭素工具鋼のSK3はマルテンサイト単相組織で，炭化物や中間組×−× SK【）6∴ ∴織を形成する合金鋼のように，組織方向要因による影響を受けにくいからである。

SUS440A，SKDll等の高合金ガス冷鋼は9体積変化に関しては，炭化物による収縮で一定の範囲（0。
二︑＼ ∵034Inm〜0・115mm／175mm）で不可避だがぅひずみについては，ヒートパターン制御（4，60C／′分）で5〜657〃m／175mm以下に抑え込むことができた。

l︐．．

この2鋼種に比べてSKD61は熱問の高合金鋼討で，焼もどし温度（6000C）が高いだけに焼もどしによる形状変形が加味され，41／JmMaxと大きくなっ。

熱処理における究極の課題は形状の変形である。
r）

27851r）0 130145 172

丁濫ト（王事 抄 ⑤ ⑥
端面からレ〕距離（mm）

図6：金型用合金鋼の歪み（段差7mm−→3．5mm）

中でも相変態による体積変化は対応が困難だが，ひずみは熱処理の考案で充分対処することができた。

今後，典型的な形状の試験片を作成し，仮想のひ一 45 −

昭和61年度 研究報告 大分県工業試験場

ずみや体積変化を実験上作り出し，対応策を考えてする方法で，175mmの長さで720FLmMaxが325いく必要がある。

jLmMax，更に，109pmMaxと大幅に向上させることができた。炭素工具鋼（SK3）では43／JmMaxま5．おわりに熱処理は，加熱。冷却とも真空中で行い，階段的加熱方法を採好した。特に変態区間を全断面が斉一で低下させることができた。油冷鋼ではこの辺の数値がほぼ限界ともいえる。

高合金ガス冷鋼は，SKDll，SUS440Aとも5〜6に通過できるように，変態点直下で18分間と12分間

FLmMax以下，高温焼もどしのSKD61でも39の2度均熱した。本実験から，体積変化・形状変形〃mMaxと優れた結果をえた。

について次のような物理的性質が見出された。

1）焼入れによる合金鋼の体積変化は，マルチン
サイト変態による膨脹が低合金油冷鋼に0．133mm／175mm発生し，炭化物による収縮が高合金ガス冷鋼に0．077mm／175mmおこった。
この膨脹・収縮は形状変形にも影響するが，その因果関係は完全には捉えられないし，相変態による形状変形は，熱処理技術の考案で著しくその変形を抑えることが可能である。

相変態による体積変化，加熱・冷却に伴う形状変形いずれも熱処理における永遠の課題である。
更に，変態点直下の均熱時間の延長，加工形状，板厚等，種々のケースを設定して追求していく必要がある。

ものだけに防止することも難しい。急冷硬化後の難この実験に使用した真空熱処理炉は日本自動車振加工を考えると事前に，鋼種によってプラス側か逆興会から，競輪収益の一部である機械工業振興資金にマイナス側へ加工する必要がある。この方法を一の補助を受けて設置したものである。

部の会社で採用し成功している。
2）ひずみはヒートパターン制御と段差を小さく【 46 w（九州熱処理技術研究会で研究発表）